ECU控制设计与实现课件.ppt

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1、内燃机电子控制,ECU控制设计与实现,本课程的结构,ECU的控制设计与实现,ECU的开发技术ECU开发流程实时操作系统技术ECU的技术特征,ECU的开发技术,ECU的控制功能,对燃油喷射系统的控制对柴油机其他系统的电子控制与配套机械系统匹配的电控,ECU的研究发展,ECU的发展ECU开发技术的发展,柴油机电控单元研究发展,电控单元的研究取得的飞速进步，主要得益于电子控制行业的迅速发展和各种现代控制技术在柴油机领域的应用。为了满足各个方面的性能要求，电控技术已经渗透到柴油机的各个部分，采用了许多新的控制技术。现在，柴油机电子控制的内容已由当初的燃油系统单一控制逐步发展到包括发动机各个系统控制、故

2、障诊断、实时管理等功能在内的综合管理系统，各种先进的电子控制技术在电控单元中得到了越来越广泛的应用,控制理论在电控单元研究中的应用,发动机电子控制使用的控制方法从早期的经典控制理论的PID算法逐步发展到优化控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制以及预测控制等多种现代控制理论。现代控制理论的引入使得电控系统更能适应柴油机这一类复杂多变量系统，时变系统和非线性系统，此外，现代控制理论与不断进步的新型电控器件相结合，使柴油机电控技术在进入实用化方面不断取得新的突破。,自适应控制和鲁棒控制,内燃机的自适应控制系统首先由Draper和Li在1951年提出，他们介绍了一种能使性能特性不确定的内燃机达到最

3、优性能的控制系统。基于模型的自适应控制技术逐渐应用于发动机控制以提高精度，其主要运用范围是发动机的稳态工况。由于动态工况下参数变化快、自适应算法收敛速度限制和控制器计算速度限制等因素，在动态工况下应用存在着不足。,神经网络和模糊控制,柴油机是一种多输入、多输出的非线性控制系统，难以用经典的控制方法来满足控制设计要求。随着控制理论的发展，各种新颖的控制方法正在逐步取代经典的控制方法，并在实际中得到推广，如神经网络和模糊控制等方法。,神经网络和模糊控制,神经网络本质上是并行结构的非线性系统，这给发动机非线性控制系统的描述带来了一种新的数学模型；神经网络是一个多输入输出系统，在信息综合、信息互补与冗

4、余等方面有较强的能力，而且在多变量、大系统与复杂系统的控制方案设计上有很明显的优势。,神经网络和模糊控制,模糊理论与神经网络有共同之处，如均为并行处理结构、都具有非线性映射能力。模糊神经网络是近年来智能控制领域的热点，它既具有模糊系统的便于理解，可以表达人的经验模糊等特点，又有神经网络的并行处理功能、容错能力、强大的自组织、自学习能力。,神经网络和模糊控制,在国外，日本丰田公司较早将神经网络应用于控制，并提出了“智能发动机”的概念。同时还进行了应用神经网络技术控制发动机的试验。另外，M.Michael等开发了一个神经控制器，实现汽车燃油喷射系统的空燃比的实时自适应控制；Lenz U等利用神经网

5、络方法提出了一种高精度控制燃烧室内空燃比的火花点燃式发动机燃烧控制对策。,神经网络和模糊控制,神经网络和模糊控制的特点是其本质为并行结构，这种特点决定了其计算速度取决于控制器的结构形式。目前，并行计算芯片还处在研究阶段，远未进入控制器领域，这使得理论上计算速度很快的模糊神经网络算法在实际的处理器上速度慢、资源占用量大，实时性差。此外，两者数学基础均不完善，对系统稳定性、动态特性等性能分析都无确定的准则和方法,反馈线性化等非线性反馈技术,20世纪非线性控制理论的突破性进展发端于20世纪70年代初期。随着微分几何理论和微分代数方法的引入，使得非线性系统控制理论及其应用有了一个巨大飞跃。非线性系统的

6、几何理论在20世纪80年代己经初步形成了自己的完整体系，基于微分几何的非线性系统控制理论的出现，也极大地促进了非线性系统鲁棒控制理论的研究。,发动机管理系统的功能发展,随着电子计算机技术和控制技术的快速发展，车辆发动机电控的功能由最初的燃油喷射系统电控逐步发展到集喷油电控、增压电控、怠速电控、进气涡流控制、电控风扇驱动、怠速稳定控制、EGR控制、冷启动电控、柴油机电控液压启动系统、冷却控制、故障诊断为一体的发动机综合电子控制装置。发动机电子控制逐步形成了包括控制、处理、故障诊断和实时管理的发动机综合管理系统,发动机管理系统的功能发展,国外新开发的电控柴油机上都具备监控诊断功能。这已成为现代发动

7、机的一个重要特征。例如，美国CUMMINS公司采用CELECT和CENTRY发动机电子管理系统对发动机进行全面控制和管理。有些电控系统还包括了对机外排放的控制、安全性控制、以及与其它电控系统的信息通讯等等。如：电控柴油机微粒袋滤系统、壁流式微粒过滤器电加热再生控制系统、电控牵引力控制系统等等。,电控发动机故障自诊断功能,现代发动机的电子控制系统复杂程度逐步增加，故障诊断功能也被包含进电控系统当中，这不仅要求故障系统对发动机的工作特性进行检测，还要求ECU具有故障自诊断功能以监测电子控制系统各部分的工作状况，如：传感器的故障诊断、执行器的故障诊断和配线电路的故障诊断等等。,电控发动机故障自诊断功

8、能,1988年，美国汽车工程师协会（SAE）、美国环保署（EPA）、加州空气资源委员会（CARB）协同提出了OBD-I随车诊断系统，其目的是加快燃油喷射系统的维修速度，提高其维修质量，以降低汽车的废气排放。OBD-I系统能够实时监视控制模块、与控制模块相连的各传感器、燃油表系统以及废气再循环系统等等。1993年，美国环保署颁布了OBD-II的规定，一些1994年出厂的轻型车上开始配备OBD-II随车诊断系统。目前已推出了OBD-III型系统。,现场总线技术,当前，出现了多种现场总线：基金会总线LonWorksProfibusHARTCAN,现场总线技术,CAN即控制局域网络，最早由德国BOSC

9、H公司推出，用于汽车内部测量与执行部件间的数据通信。由于其高性能、高可靠性及独特的设计，CAN越来越受到人们的重视。世界上一些著名的汽车制造厂商，如BENZ、BMW、PORSCHE、ROLLS-ROYCE和JAGU都已开始采用CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。,传感器技术,近年来，随着控制技术、计算机技术和宽带网络技术的快速发展，多传感器系统得到了越来越多的应用，这对传感器提出了更高的要求，即准确度高，可靠性好，易于组网，并具有信息处理和自检等智力功能。随着新材料及新技术的应用，电控系统要求传感器集成化和智能化。实现智能化的传感器具有信号放大、处理功能，各种补偿功

10、能，以及自诊断功能，其智能部分还应具有编码和译码的能力。,传感器技术,网络化智能传感器是以嵌入式技术为核心，集成了传感单元、信号处理单元和网络接口单元的新一代传感器。处理器的引入使传感器成为硬件和软件的结合体，能根据输入信号值进行一定程度的判断和制定决策，实现自校正和自保护功能。非线性补偿、零点漂移和温度补偿等软件技术的应用，则使传感器具有很高的线性度和测量精度。网络接口技术的应用使传感器能方便地接入网络。,计算机硬件的发展,电控单元（ECU）是柴油机电控系统的核心，其硬件就是微处理器。目前，在发动机电控单元中除了常用的8位和16位的微处理器外，32位特别是64位微处理器已逐步开始使用，而且，

11、专用的汽车微机也已研制出来。当前ECU发展的总趋势是从单系统单机控制向多系统集中控制过渡，汽车电控系统将采用计算机网络技术，把发动机电控系统、车身电控系统、底盘电控系统及信息与通信系统等各个系统的ECU相联接，形成机内分布式计算机网络。,电控系统开发工具与设计方法的发展,计算机仿真技术的应用 实时操作系统的应用 计算机辅助控制系统设计（CACSD）技术,计算机仿真技术的应用,发动机电子控制技术是改善发动机性能有力的手段。在发动机电子控制系统的开发中，控制算法对系统控制性能的影响很大，通常它的在线整定和调节比较困难、费时，一般需要首先利用电控系统仿真模型。电子控制系统的分析、设计及系统的调试、改

12、造都要应用系统仿真技术。,计算机仿真技术的应用,随着计算机技术的快速发展，出现了较多仿真软件：美国Math Works公司推出的MATLAB。它所带的组件之一Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，是一种通用的仿真软件。针对发动机领域也出现了一些专用的仿真软件：AVL公司开发的用于发动机性能仿真的HYDSIM德国Tesis公司的en-DYNA软件，是一个发动机动力学分析模型库，可以从模型库中建立实时发动机模型。因而可以测试最新型ECU。美国波音公司的EASY-5软件用于工程分析法国伊梦镜（IMAGINE）公司的AMESim软件用于燃油喷射、制动系统、动力传动、冷却系统

13、等方面,实时操作系统的应用,以前电控单元的研制采取的是针对特定的硬件，为特定的功能编程的方法，并且几乎全部采用汇编等可读性差的代码编写方式。这种方式设计的控制器效率高，但可移植性差，无法应用软件工程领域的一些先进技术。实时系统是对外来事件在限定时间内能做出反应的系统。限定的时间范围可以从微秒到分钟。实时系统的正确性不仅依赖系统计算的逻辑结果，还依赖于产生这个结果的时间。近十年来，实时操作系统得到飞速的发展，从支持8位微处理器到16位、32位甚至64位，从支持单一品种的微处理器芯片到支持多品种微处理器芯片，从只有实时内核到除了内核外还提供其他功能模块，如高速文件系统，TCPIP网络系统，窗口系统

14、等等。,实时操作系统的应用,据Embedded Systems Programming报告，世界各国多家公司，已成功推出200余种可供嵌入式应用的实时操作系统。其中几个著名的实时、嵌入式操作系统是Wind River公司（WRS）的VxWorks、pSOS，Mentor Graphics公司的 VRTX，Microsoft公司的Windows CE，Microware公司的 OS.9，3COM公司的 Palm OS，LYNX公司的Lynx等。,实时操作系统的应用,为了设计技术共享和软件重用、构件兼容、维护方便以及合作生产，近几年，一些地区和国家的汽车行业协会纷纷制定嵌入式产品标准，特别是软件编

15、程接口API规范。如，欧共体汽车产业联盟规定以OSEK标准作为开发汽车嵌入式系统的公用平台和应用编程接口(OSEK的名称来自于德文“车内电子设备的开放系统的接口”)。OSEK规定了汽车控制器的通信规程、网络管理规则以及高效利用存贮器的嵌入式操作系统规范。目前，Wind River等嵌入式软件公司已宣布推出兼容的操作系统。,计算机辅助控制系统设计（CACSD）技术,市场对控制系统的开发要求较多：开发周期要求、高可靠性要求、控制算法要求，同时，并行工程要求设计、实现、测试及生产准备同时进行等等。有时控制对象在开发过程中也在不断发生变化。因此，只有计算机辅助控制系统设计（CACSD：Computer

16、-Aided Control System Design）才能满足这一切要求。计算机辅助控制系统设计不仅仅是进行控制方案的设计和离线仿真，还包括实时快速控制原型（RCP）、已验证的设计向产品型控制器的转换和硬件在环测试。,计算机辅助控制系统设计,快速地建立控制对象及控制器模型，并对整个控制系统进行多次的、离线的及在线的试验来验证控制系统软、硬件方案的可行性，这个过程称为 快速控制原型（RCP）。已设计完的控制器投入生产后，在投放市场前必须对其进行详细的测试。现在普遍采用的方法就是：在系统测试时，控制器是真实的，其余部分能采用实际的产品就用实际的，不能采用实际的产品，就采用实时数字模型来模拟控制

17、器的外环境，进行整个系统的测试，这个过程称为硬件在环仿真（HILS）。,计算机辅助控制系统设计,用于发动机电控单元开发的典型产品之一是德国dSPACE公司开发的dSPACE实时仿真系统。它是基于MATLAB/Simulink/RTW的控制系统开发和半实物仿真的软硬件工作平台，它将ECU的开发、编程、测试集成在一个统一的环境下，从而可以加速与简化开发流程，快速实现控制参数的修改，并能与OSEK标准的实时操作系统链接。,ECU的开发流程,电控单元的开发流程,电控单元的开发流程,当前的电控开发以虚拟现实技术为主要特征，以dSPACE开发工具为例，介绍电控单元的开发流程。,虚拟现实技术,虚拟现实（VR

18、）是虚拟制造理念与技术的主要支撑技术，在虚拟技术出现前，许多技术已经为我们提供了分析世界、观察世界的有力工具，但是这些工具基本上都只能帮助我们进行单方向的推理。我们需要一种简捷的互动环境。,虚拟样机技术,虚拟样机技术是一种以人为中心的优化产品开发过程的方法与虚拟现实技术相结合的技术，它将分布的、来之不同了光学克领域的模型集成在一起，不依赖物理样机就可并行协同的进行有效的、可验证的设计工作，提高了产品开发项目中开发者与开发则、产品与客户的交互，使设计面向过程，面向市场,快速原型技术（RP）,在开发的初期阶段，快速地建立控制对象及控制器模型，并对整个控制系统进行多次的、离线的及在线的试验来验证控制

19、系统软、硬件方案的可行性。这个过程我们称之为 快速控制原型（RCP）,硬件在环仿真（HILS）,在系统测试时，控制器是真实的，其余部分能采用实际的产品就用实际的，不能采用实际的产品，就采用实时数字模型来模拟控制器的外环境，进行整个系统的测试，这个过程我们称之为 半实物仿真（HILS）,汽车控制的解决方案,目标代码生成,硬件在回路仿真,标定,Rapid Prototyping,功能设计,通用汽车公司的燃料电池车欧宝的开发流程,目标:在开发过程中使用统一的软硬件平台 在办公室作离线仿真在实验室进行原型测试在车上进行标定MATLAB/dSPACE 被用于 ECU开发的所有阶段,当今的开发流程,快速控

20、制原型与硬件在回路仿真,快速控制原型与硬件在回路仿真,功能错误,编程错误,编译器错误,速度内存问题,实时响应问题,I/O 软件,软件在回路仿真,原型控制器在回路仿真,硬件在回路仿真,ECU开发商需要的工作,ECU的购买者需要在做实验时应用,结果的精度,当今的开发流程-V循环,功能设计,目标代码生成,Hardware-in-the-Loop,Calibration,快速控制原型,基于模型的设计流程,模型被修改,细化，实施,原型代码,嵌入式代码,系统仿真,快速原型,硬件在回路仿真,嵌入式系统,算法系统设计与分析,数据分析,建模与可视化,行为数学模型,工程问题,数据 I/O,代码生成,实施,测试,任

21、务,验证与优化,基于模型的控制系统设计,控制对象模型,xPC，dSPACE MicroAutobox,TargetLink,在集成的设计环境中开发嵌入式系统,设计流程中使用的工具,dSPACE Simulator,OSEK,MATLAB/Simulink是基本环境,工程计算的标准软件基于模型的控制器设计用Simulink对非线性动态系统仿真大量与定义的图块,Stateflow,描述有限状态机（控制逻辑）的交互式工具集成于 MATLAB/Simulink对事件驱动系统进行仿真,例子:发动机控制 在 Simulink中进行功能设计,标准的设计描述文件 仿真的基础 快速控制原型的基础 产品代码生成的

22、基础 硬件在回路仿真的基础 控制单元开发人员的“可执行技术规范”,当今的开发流程-V循环,目标代码生成,Hardware-in-the-Loop,标定,功能设计,Real-Time Interface/实时接口,ControlDesk/实验控制台,硬件管理硬件配置下载,实验控制开始,停止,.,虚拟仪器可视化的测量变量可视化的模型参数在线调参数据获取,参数编辑,实验管理收集实验数据,典型的开发流程,为控制对象建立理论模型,初步建立控制规律,通过离线仿真测试控制系统的设计,生成模型的实时代码,配置 ControlDesk/实验控制台获取数据并监视与改变参数,在模型中加入 I/O,快速原型的组件系统

23、,用AutoBox 配置模块化的dSPACE 系统(用于车载实验)用笔记本来控制或 PCMCIA 自启动系统独立运行可选择浮点处理器的性能,或使用多处理器可扩展的 I/O板外部信号调理新的 PowerPC 750 处理器板,快速控制原型（MicroAutoBox）用于发动机或底盘的管理,HIL 和 RCP 并行应用HIL:虚拟发动机和车体,模型开发用了一个月RCP:燃油喷射逻辑(考虑湿壁补偿)的设计在10天之内完成,Toyota：控制原型与硬件在回路,目标代码生成,Hardware-in-the-Loop,标定,快速控制原型,功能设计,当今的开发流程-V循环,无缝连接,TargetLink,原

24、型硬件,产品ECU,MATLAB/Simulink/Stateflow,实时代码生成工具 Real-Time Workshop,传统的方法,问题:无法交流规范模糊资源冲突 很长的循环周期!,产品代码,规范,功能开发人员 算法知识,软件专家 实施+代码知识,Time,采用代码生成方法,软件专家 实现的知识,代码知识:ANSI-C 扩展的语言 汇编语言 处理器的结构 并且知道怎样根据这些特点来优化!,TargetLink,代码生成器 代码知识,功能开发人员 算法知识,效率对比,手工代码(从现有的ECU中得到的),TargetLink 生成的Motorola 68332定点(整型)C代码,Worki

25、ng with TargetLink,TargetLinkblockset,ECU,代码,生成,TargetLink 的工作流程,前端独立于目标机,后端通用ANSI-C,后端指定目标的 ANSI-C,后端指定目标的 C&汇编,代码生成内核-模型分析-关联模块优化,TargetLink 代码生成的层次,模型(=可执行的规范)可以携带!很容易移植到下一代处理器上,效率检查:处理器在回路,在 PC上仿真,S-function,评估板,RS 232,TargetLink,编译工具或集成环境,遗留的代码,文件输出工具目标目录Model C files and H files,make file frag

26、ment,added files_IncludeSystem H files _LibTarget code libraries_ToolsASAP2 make file,info file,file list_DocHTML 文档,TargetLink模型,项目集成,Make-Tool or Compiler IDE,TargetLink 模型,OSEK System Generator,TargetLink,LegacyCode,OILImplementationSection,OIL Application Section,在 TargetLink中集成 OSEK RTOS,任务配置-优

27、先级,抢占,自动运行,等等-事件,资源,等等 任务激活-enabled,triggered,cyclic enabled or triggered,-Activate Task,Chain Task,Wait Event+无限循环,etc.-外部激活任务间通信-队列消息或非队列消息-缓存，全局变量仿真-主机与目标机仿真-在目标机原有的实时操作系统上仿真-仿真时间与事件 对所有的 OSEK实时操作系统进行了测试,TargetLink 中支持的 OSEK特点,当今的开发流程-V循环,目标代码生成,硬件在回路仿真,标定,Rapid Prototyping,功能设计,什么是硬件在回路仿真?,离线仿真:

28、整个系统都是软件模型不需要保证实时性,硬件在回路仿真:一些部件是硬件要保证实时闭环,可编程的信号发生器,数据记录,激励信号,响应,开环仿真:仅仅验证激励信号与响应的关系开环,(,),开发的任务,实时硬件,电控单元,硬件在回路仿真的要素?,实际的 ECU,仿真器的输出,仿真器的输入,实际的硬件输出,实际的硬件输入,仿真模型与适当的处理器硬件,例题:ECU,实际的 ECU 与虚拟的发动机,进行软件测试(功能+诊断),发动机模型,车辆模型,ECU,例题:ECU 网络,19.10.99,几个 ECU 连网每个实现不同的功能来源于不同的厂商,ECU 网络,CAN 消息的发送与接受正确吗?如果有噪音将会怎

29、样?,对整个系统的功能的影响会怎样?,“总线仿真”对不在回路的ECU进行 CAN消息的仿真 把仿真生成的消息与其它的消息建立参数化的联系,用于生成CAN 消息的工具,硬件在回路仿真 虚拟车辆,硬件在回路仿真的层次,设计,快速原型,软件开发,单元测试,系统测试,集成于发布,测试,标定,单元测试开发商测试新的功能ECU 原型系统测试ECU 原型集成并对技术环节进行测试车辆部件如发动机或传动系集成/产品发布测试ECUs 产品集成于虚拟车辆网络功能测试系统是否满足所有功能测试电子系统是否可以发布并批量生产,发动机模型 en-DYNA,4-8 缸 V 型发动机发动机均值模型(MVEM)-共轨或单缸喷射-

30、4 lambda 传感器-可变的凸轮轴与可变的进气室可扩展的功能:熄火诊断的扭矩波动(OBD II),节气门,点火提前角,点火时间,发动机速度,曲轴转角,发动机扭矩,空燃比,空气质量流量,lambda,MVEM,TESIS en-DYNA 发动机实时模型,enDYNA 发动机部件库,enDYNA 基于Simulink,dSPACE Simulator 实时仿真机简介,System setup,用于软件功能测试:实际的功能测试,例如 I/O 功能在开环或闭环环境下仿真与生成真实的传感器信号,当今的开发流程-V循环,目标代码生成,硬件在回路仿真,标定,Rapid Prototyping,功能设计,

31、基于模型的标定工具箱,帮助制定实验计划模型拟合,基于模型的标定工具箱,标定 MAP与优化参数表交互式的图表编辑功能,标定工具的硬件,使标定工程师可以简捷地操作多种配置通过内存仿真器或NEXUS,NBD、CCP对ECU参数测量与标定集成于 MATLAB/Simulink支持快速原型硬件的标定,Simulink建立传动系模型在AVL 测试台上测试全部模型dSPACE系统用于虚拟车辆仿真采用真实的设备逐步替代模型,AVL：发动机、传动系仿真与标定,ECU的开发阶段,实时操作系统技术,实时操作系统,实时系统的特点是，如果逻辑和时序出现偏差将会引起严重后果的系统。有两种类型的实时系统：软实时系统和硬实时

32、系统。在软实时系统中系统的宗旨是使各个任务运行得越快越好，并不要求限定某一任务必须在多长时间内完成。在硬实时系统中，各任务不仅要执行无误而且要做到准时。实时系统的应用涵盖广泛的领域，而多数实时系统又是嵌入式的。,过程控制食品加工化工厂汽车业发动机控制防抱死系统(ABS)办公自动化传真机复印机计算机外设打印机计算机终端扫描仪调制解调器,通讯类Switch Hurb路由器机器人航空航天飞机管理系统武器系统喷气发动机控制民用消费品微波炉洗碗机洗依机稳温调节器,前后台系统,多任务系统,多任务运行的实现实际上是靠CPU(中央处理单元)在许多任务之间转换、调度。CPU只有一个，轮番服务于一系列任务中的某一

33、个。多任务运行很像前后台系统，但后台任务有多个。多任务运行使CPU的利用率得到最大的发挥，并使应用程序模块化。在实时应用中，多任务化的最大特点是，开发人员可以将很复杂的应用程序层次化。使用多任务，应用程序将更容易设计与维护。,多任务系统的资源配置,多任务进程调度,内核,多任务系统中，内核负责管理各个任务，或者说为每个任务分配CPU时间，并且负责任务之间的通讯。内核提供的基本服务是任务切换。之所以使用实时内核可以大大简化应用系统的设计，是因为实时内核允许将应用分成若干个任务，由实时内核来管理它们。内核本身也增加了应用程序的额外负荷，代码空间增加ROM的用量，内核本身的数据结构增加了RAM的用量。

34、但更主要的是，每个任务要有自己的栈空间，这一特点很消耗内存。内核本身对CPU的占用时间一般在2到5个百分点之间。,任务调度,调度（Scheduler）是内核的主要职责之一，是决定该轮到哪个任务运行。多数实时内核是基于优先级调度法的。每个任务根据其重要程度的不同被赋予一定的优先级。基于优先级的调度法指，CPU总是让处在就绪态的优先级最高的任务先运行。然而，究竟何时让高优先级任务掌握CPU的使用权，有两种不同的情况，这要看用的是什么类型的内核，是不可剥夺型的还是可剥夺型内核。,不可剥夺型内核,要求每个任务自我放弃CPU的所有权。不可剥夺型调度法也称作合作型多任务，各个任务彼此合作共享一个CPU。异

35、步事件由中断服务来处理。中断服务可以使一个高优先级的任务由挂起状态变为就绪状态。但中断服务以后控制权还是回到原来被中断了的那个任务，直到该任务主动放弃CPU的使用权时，那个高优先级的任务才能获得CPU的使用权。,不可剥夺型内核,在任务级，不可剥夺型内核允许使用不可重入函数。每个任务都可以调用非可重入性函数，而不必担心其它任务可能正在使用该函数，从而造成数据的破坏。因为每个任务要运行到完成时才释放CPU的控制权。当然该不可重入型函数本身不得有放弃CPU控制权的企图。不可剥夺型内核的一个优点是响应中断快。不可剥夺型内核的另一个优点是，几乎不需要使用信号量保护共享数据。运行着的任务占有CPU，而不必

36、担心被别的任务抢占。,不可剥夺型内核运行,可剥夺型内核,当系统响应时间很重要时，要使用可剥夺型内核。因此，绝大多数商业上销售的实时内核都是可剥夺型内核。最高优先级的任务一旦就绪，总能得到CPU的控制权。当一个运行着的任务使一个比它优先级高的任务进入了就绪态，当前任务的CPU使用权就被剥夺了，或者说被挂起了，那个高优先级的任务立刻得到了CPU的控制权。如果是中断服务子程序使一个高优先级的任务进入就绪态，中断完成时，中断了的任务被挂起，优先级高的那个任务开始运行。,可剥夺型内核运行,可剥夺型内核特点,使用可剥夺型内核时，应用程序不应直接使用不可重入型函数。调用不可重入型函数时，要满足互斥条件，这一

37、点可以用互斥型信号量来实现。如果调用不可重入型函数时，低优先级的任务CPU的使用权被高优先级任务剥夺，不可重入型函数中的数据有可能被破坏。,可重入型函数,可重入型函数可以被一个以上的任务调用，而不必担心数据的破坏。可重入型函数任何时候都可以被中断，一段时间以后又可以运行，而相应数据不会丢失。可重入型函数或者只使用局部变量，即变量保存在CPU寄存器中或堆栈中。如果使用全局变量，则要对全局变量予以保护。,可重入型函数举例,void strcpy(char*dest,char*src)while(*dest+=*src+);*dest=NUL;函数Strcpy()做字符串复制。因为参数是存在堆栈中的

38、，故函数Strcpy()可以被多个任务调用，而不必担心各任务调用函数期间会互相破坏对方的指针。,不可重入型函数,int Temp;void swap(int*x,int*y)Temp=*x;*x=*y;*y=Temp;,不可重入型函数运行,避免不可重入性,使用以下技术之一即可使Swap()函数具有可重入性：把Temp定义为局部变量调用Swap()函数之前关中断，调动后再开中断用信号量禁止该函数在使用过程中被再次调用,任务调度策略,当两个或两个以上任务有同样优先级，内核允许一个任务运行事先确定的一段时间，叫做时间额度（quantum），然后切换给另一个任务。也叫做时间片调度。内核在满足以下条件时

39、，把CPU控制权交给下一个任务就绪态的任务：当前任务已无事可做当前任务在时间片还没结束时已经完成了。,优先级,应用程序执行过程中诸任务优先级不变，则称之为静态优先级。在静态优先级系统中，诸任务以及它们的时间约束在程序编译时是已知的。应用程序执行过程中，任务的优先级是可变的，则称之为动态优先级。实时内核应当避免出现优先级反转问题。,优先级反转,优先级反转问题是实时系统中出现得最多的问题为防止发生优先级反转,内核能自动变换任务的优先级，这叫做优先级继承(Priority inheritance)，一些商业内核有优先级继承功能。,优先级分配,给任务定优先级需非常谨慎，因为实时系统相当复杂。许多系统中

40、，并非所有的任务都至关重要。不重要的任务自然优先级可以低一些。软实时系统只是要求任务执行得尽量快，并不要求在某一特定时间内完成。硬实时系统中，任务不但要执行无误，还要准时完成。,死锁,死锁也称作抱死，指两个任务无限期地互相等待对方控制着的资源。设任务T1正独享资源R1，任务T2在独享资源T2，而此时T1又要独享R2，T2也要独享R1，于是哪个任务都没法继续执行了，发生了死锁。,防止死锁,最简单的防止发生死锁的方法是让每个任务都：先得到全部需要的资源再做下一步的工作用同样的顺序去申请多个资源释放资源时使用相反的顺序内核大多允许用户在申请信号量时定义等待超时，以此化解死锁。当等待时间超过了某一确定

41、值，信号量还是无效状态，就会返回某种形式的出现超时错误的代码，这个出错代码告知该任务，不是得到了资源使用权，而是系统错误。死锁一般发生在大型多任务系统中，在嵌入式系统中不易出现。,时钟节拍,时钟节拍是特定的周期性中断。这个中断可以看作是系统心脏的脉动。中断之间的时间间隔取决于不同的应用，一般在10ms到200ms之间。时钟的节拍式中断使得内核可以将任务延时若干个整数时钟节拍，以及当任务等待事件发生时，提供等待超时的依据。时钟节拍率越快，系统的额外开销就越大。各种实时内核都有将任务延时若干个时钟节拍的功能。然而这并不意味着延时的精度是1个时钟节拍，只是在每个时钟节拍中断到来时对任务延时做一次裁决

42、而已。,延迟一个时钟节拍-1,延迟一个时钟节拍-2,延迟一个时钟节拍-3,实时延迟的抖动,上述情况在所有的实时内核中都会出现，这与CPU负荷有关，也可能与系统设计不正确有关。以下是这类问题可能的解决方案：增加微处理器的时钟频率增加时钟节拍的频率重新安排任务的优先级避免使用浮点运算(如果非使用不可，尽量用单精度数)使用能较好地优化程序代码的编译器时间要求苛刻的代码用汇编语言写如果可能，用同一家族的更快的微处理器做系统升级。如从8086向80186升级，从68000向68020升级等,实时操作系统的优缺点,实时内核也称为实时操作系统或RTOS。它的使用使得实时应用程序的设计和扩展变得容易，不需要大

43、的改动就可以增加新的功能。通过将应用程序分割成若干独立的任务，RTOS使得应用程序的设计过程大为减化。使用可剥夺性内核时，所有时间要求苛刻的事件都得到了尽可能快捷、有效的处理。通过有效的服务，如信号量、邮箱、队列、延时、超时等，RTOS使得资源得到更好的利用。如果应用项目对额外的需求可以承受，应该考虑使用实时内核。这些额外的需求是：内核的价格，额外的ROM/RAM开销，2到4百分点的CPU额外负荷。,实时操作系统的成本,使用实时内核需要增加价格成本。在一些应用中，价格就是一切，以至于对使用RTOS连想都不敢想。当今有80个以上的RTOS商家，生产面向8位、16位、32位、甚至是64位的微处理器

44、的RTOS产品。一些软件包是完整的操作系统，不仅包括实时内核，还包括输入输出管理、视窗系统(用于显示)、文件系统、网络、语言接口库、调试软件、交叉平台编译(Cross-Platform compilers)。RTOS的价格从70美元到30,000美元。RTOS制造商还可能索取每个目标系统的版权使用费。就像从RTOS商家那买一个芯片安装到每一个产品上，然后一同出售。RTOS商家称之为硅片软件(Silicon Software)。每个产品的版权费从5美元到250美元不等。同如今的其它软件包一样，还得考虑软件维护费，这部分开销为每年还得花100到5,000美元,ECU的技术特征,ECU的技术特征,抗

45、干扰性驱动能力控制策略稳定性通讯能力鲁棒性,抗干扰性,传感器产生的信号全部输入到ECU，因此，对传感器的有效信号和噪音信号应进行区分和处理，ECU必须包括高信噪比的处理电路。对于所有I/O都应当具备好的抗干扰性。ECU接受的信号最终全部要变成数字量，因此，对于模拟量信号，应进行A/D转换。,驱动能力,驱动电路集成在ECU当中，其驱动能力直接影响着执行部件的工作性能。大的驱动能力取决于大的电能，因此，散热等问题是需要考虑的一个重要问题,控制策略,控制策略的制定取决于两个因素：算法的复杂性和控制效果。算法的复杂性又与控制器的处理能力有关，取决于嵌入式系统的硬件处理速度和实时操作系统的实时精度,稳定

46、性,由于ECU采用嵌入式系统技术，硬件的故障率和软件的故障率都会影响系统的稳定，这个意义上的稳定性应当与控制策略的稳定性一起综合考虑,通讯能力,当前的电控技术是以集中控制为主要技术特征，但是控制的复杂程度不是某一个ECU可以完全处理的，因此，发展出了多ECU形成网络通讯，共享信息，协调处理的格局。通讯能力是ECU技术的一项重要指标，当前，CAN总线技术是应用最多的通讯技术。,鲁棒性,鲁棒性是指系统的一种抗干扰能力，这种抗干扰能力是指：在整个大系统的某个部分出现故障时，系统的工作性能。对于发动机控制来说，从输入、输出、执行一直到发动机的工作性能，任一环节出现故障都要有一定的应对措施。,谢谢各位,